不同修復(fù)模式邊坡土壤水文效應(yīng)及團(tuán)聚體特征

蘇宇, 劉邵謀, 張煒, 吳世磊, 賀維

四川省林業(yè)科學(xué)研究院，森林和濕地生態(tài)恢復(fù)與保育四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都，610000

土壤層所發(fā)揮的水文效應(yīng)是生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮水文調(diào)節(jié)作用、水源涵養(yǎng)功能的重要部分[1,2]，其蓄水能力和入滲特性[3]，主要受土壤孔隙特征的影響[4]。從土壤孔隙特征的角度，毛管孔隙度較大時(shí)，土壤中有效水的貯存量越大，用于植被自身生長(zhǎng)發(fā)育的有效水分的比例越大；非毛管孔隙度越大時(shí)，土壤通透性越好，能夠增加降水的下滲，從而減少地表徑流，可充分發(fā)揮涵養(yǎng)水源功能[5]。同時(shí)，土壤表層的土壤團(tuán)聚體團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，影響著土壤眾多的物理、化學(xué)、生物性質(zhì)，由此其組成與穩(wěn)定性成為衡量土壤質(zhì)量、土壤肥力高低的重要指標(biāo)而受到廣泛關(guān)注。作為土壤物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化及代謝場(chǎng)所，其含量和分布狀況必然影響土壤質(zhì)量和肥力狀況，而土壤顆粒組成將決定土壤的通氣透水、調(diào)節(jié)水肥和溫度等功能，進(jìn)而影響土壤的理化性質(zhì)和生物學(xué)過(guò)程[6,7]。

目前，地震誘發(fā)的崩塌、滑坡等次生山地災(zāi)害，大量表層土壤流失和植被破壞，導(dǎo)致受損后的坡面土壤質(zhì)量嚴(yán)重下降、植被資源衰退等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[8-10]。因此，基于工程措施及生物措施，邊坡土壤物理性質(zhì)的影響情況成為災(zāi)后水土保持和生態(tài)重建的必要環(huán)節(jié)和前提。本文針對(duì)不同的修復(fù)模式，以“8.8”九寨溝地震衍生的邊坡受損坡面為研究對(duì)象，運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析其土壤水文特征、顆粒組成及團(tuán)聚體的空間變異特征，分析不同修復(fù)模式土壤團(tuán)聚體粒徑分布特征，采用粒徑＞0.25 mm 團(tuán)聚體、平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）和團(tuán)聚體粒徑分形維數(shù)（APD）分析團(tuán)聚體穩(wěn)定性對(duì)不同修復(fù)模式的響應(yīng)特征，探討干篩和濕篩條件下土壤團(tuán)聚體粒徑組成及穩(wěn)定性特征的差異，揭示不同修復(fù)模式對(duì)土壤團(tuán)聚體的粒徑分布特征及其穩(wěn)定性的影響。旨在揭示震后工程修復(fù)中對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響及空間變異特征，為維系區(qū)域生態(tài)安全、構(gòu)筑區(qū)域生態(tài)屏障提供有效途徑。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研 究 區(qū) 位 于 九 寨 溝 縣（103°33′—103°44′E，30°2′—30°21′N），海拔1 458～3 478 m，屬于青藏高原向四川盆地過(guò)渡的高山峽谷區(qū)。該區(qū)域?qū)贇夂蜃兓拿舾袇^(qū)，受西風(fēng)急流和東南季風(fēng)控制，年均溫6 ℃～12 ℃，極端高溫32 ℃，極端低溫-16 ℃。年均降雨量718 mm，多集中在5 到10 月份，夏季溫涼多雨，冬季寒冷干燥。土壤以半濕潤(rùn)、半干旱暖溫帶基帶山地淋溶褐土為代表性土類，此外隨海拔增加還分布著山地棕壤和山地暗棕壤等。主要植被包括云杉（Picea asperata）、冷杉（Abies fabri）、油松（Pinus tabuliformis）、紅樺（Betula albosinensis）、光皮樺（Betula luminifera）等（見(jiàn)表1）。

表 1 樣地基本情況Tab. 1 Basic information of the sampled plots

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

對(duì)于九寨溝地震受損山體坡面的立地類型進(jìn)行分類，選擇坡面類型一致，坡度一致，進(jìn)行土石袋階梯工程修復(fù)小班。在不同坡向處建立實(shí)驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)典型區(qū)域旁建立未受損生境作為對(duì)照，在每個(gè)小班設(shè)置試驗(yàn)樣地布設(shè)3 個(gè)取樣點(diǎn)，共計(jì)取樣點(diǎn)12 個(gè)。

每個(gè)取樣點(diǎn)，去除地表覆蓋物，用環(huán)刀5 點(diǎn)采樣，運(yùn)回室內(nèi)測(cè)定土壤水分物理性質(zhì)。用原狀土取樣器采集表層（0～10 cm）、亞表層（10～20 cm）的原狀土0.5 kg，保持土壤原有結(jié)構(gòu)，帶回實(shí)驗(yàn)室，按其自然結(jié)構(gòu)剝成小土塊，除去樹根和石塊，自然風(fēng)干，測(cè)定土壤團(tuán)聚體。

1.3 指標(biāo)測(cè)定及計(jì)算方法

土壤含水量、土壤容重、毛管孔隙度和非毛管孔隙度采用環(huán)刀法測(cè)定[19]：

式中：P為土壤容重（g/cm3），M為環(huán)刀和土質(zhì)量（g），M0為環(huán)刀質(zhì)量（g），V為環(huán)刀體積（cm3），Q為水的比重（g/cm3），K為土壤非毛管孔隙度（%），K1為土壤毛管孔隙度（%），K2為土壤總孔隙度（%），C為毛管持水量（%），C1為最大持水量（%），C2為土壤非毛管孔隙度（%），C3為毛管持水量（%），C4為有效土壤持水量（mm），C5為土壤最大持水量（mm），H為土層。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸納，采用SPSS20.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤質(zhì)地

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)不同模式的土壤質(zhì)地分類得出，不同修復(fù)模式的土壤顆粒特征，可以看出，不同修復(fù)模式不同土層顆粒之間存在差異，主要表現(xiàn)在0.05～0.25 mm 及0.01～0.05 mm，土壤顆粒組成以0.001～0.05 mm 粒徑為主，0.25～1 mm 與＜0.001 mm粒徑含量最低（見(jiàn)表2）。粒徑＞0.01 mm 的略具吸水性、黏結(jié)性、黏著性和保肥性，少見(jiàn)可塑性；而粒徑＜0.01 mm 的，土粒越細(xì)，吸水性、黏結(jié)性、黏著性、保肥性和可塑性越強(qiáng)，而通氣性、透水性越弱。樣地1 上下土壤層都表達(dá)為以0.001～0.01 mm顆粒含量最高，0?10 cm 土層＜0.001 mm 顆粒含量最低，而10～20 cm 土層0.25?1 mm 顆粒含量最低。樣地2，上下土壤層都表達(dá)為以0.001～0.01 mm 顆粒含量最高，＜0.001 mm 顆粒含量最低。樣地3，上下土壤層都表達(dá)為以0.001～0.01 mm 顆粒含量最高，0～10 cm 的表層土壤0.05～0.25 mm 顆粒含量最低僅有8.83%，10～20 cm 的亞表層土壤0.25～1 mm 的粒徑含量最低為13.08%。樣地4 上下土壤層都表達(dá)為以0.01～0.05 mm 顆粒含量最高，0.25～1 mm 顆粒含量最低。

表 2 不同修復(fù)模式土壤顆粒特征Tab. 2 Soil particles characteristics in different restoration models

2.2 土壤水文特征

0～10 cm，10～20 cm 土層在4 種不同的邊坡修復(fù)模式下的土壤孔隙特征表達(dá)出差異性。不同修復(fù)模式土壤容重為S1＞S2＞S4＞S3。樣地1 在上、下土層均表現(xiàn)出最高的土壤容重，顯著大于樣地3 和樣地4 的0～10 cm 表層土壤。不同修復(fù)模式非毛管空隙度為S3＞S1＞S2＞S4，樣 地3 的0～10 cm 表 層 土 最 高（29.67ψ/%），樣地4 的10～20 cm 亞表層土最低（12.80ψ/%）。不同修復(fù)模式土壤毛管空隙度為S1＞S2＞S3＞S4，但差異并不顯著。不同修復(fù)模式土壤總孔隙度為1＞3＞2＞4，樣地3 的0～10 cm 表層土最高（56.97ψ/%），樣地4 的10～20 cm 亞表層土最低（31.70ψ/%），與非毛管孔隙度表現(xiàn)一致（見(jiàn)表3）。

0～10 cm，10～20 cm 土層在4 種不同的邊坡修復(fù)模式下的土壤持水量表達(dá)出差異性。不同修復(fù)模式土壤貯水量為S1＞S2＞S3＞S4。樣地1 在上、下土層均表現(xiàn)出最高的土壤貯水量，在2，3，4 樣地土壤貯水量均表現(xiàn)為0～10 cm 表層土壤高于10～20 cm 亞表層土壤。樣地3 的0～10 cm 的表層和10～20 cm 的亞表層，在最大持水量、毛管持水量、最小持水量都表達(dá)出最大的變化差值，這種土層間的變化顯著的大于不同的修復(fù)模式。不同修復(fù)模式合理灌溉定額都表現(xiàn)為0～10 cm 表層土壤高于10～20 cm 亞表層土壤（見(jiàn)表4）。

2.3 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

2.3.1 不同震后受損條件下土壤非水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征

土壤團(tuán)聚體作為土壤物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化及代謝場(chǎng)所，其含量和分布狀況必然影響著土壤質(zhì)量。在4 個(gè)樣地中，各粒徑非水穩(wěn)性團(tuán)聚體存在顯著性差異。4 個(gè)樣地中2～5 mm 團(tuán)聚體含量最高，達(dá)38.95%～54.68%；＞5 mm 團(tuán)聚體含量最低，達(dá)2.07%～5.52%，差異并不顯著（見(jiàn)表5）。

表 3 不同修復(fù)模式土壤孔隙特征Tab. 3 Soil pore characteristics in different restoration models

表 5 不同震后受損條件下土壤非水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成Tab. 5 Composition of soil non-stable aggregates in different damage degrees after earthquake

表 6 不同震后受損條件下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成Tab. 6 Composition of soil water-stable aggregates in different damage degrees after earthquake

2.3.2 不同震后受損條件下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體是保持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要物質(zhì)，是衡量土壤抗侵蝕能力的指標(biāo)之一（見(jiàn)表6）。2～5 mm 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量在3 樣地中的比例最高，含量顯著大于其他各粒級(jí)含量，其中表層土（28.17%）、亞表層土（42.00%）。＜0.25 mm 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量在1、2、4 樣地中的比例最高，含量顯著大于其他各粒級(jí)含量，其中樣地4 的表層土（39.53%）、亞表層土（39.63%）皆為最高。土壤中＞0.25 mm 的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，通常被稱作土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體，其數(shù)量往往決定土壤穩(wěn)定性狀況。綜合來(lái)看，本研究中＞0.25 mm的土壤團(tuán)聚體含量順序?yàn)橄聦油粮哂谏蠈油寥溃瑯拥豐3＞S2＞S1＞S4。

2.3.3 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

不同粒級(jí)的土壤團(tuán)聚體對(duì)土壤的保持與供應(yīng)、水力性質(zhì)、孔隙組成和生物運(yùn)動(dòng)等均具有不同的作用，所以在團(tuán)聚體總量的基礎(chǔ)上，土壤團(tuán)聚體的大小分布情況和土壤的質(zhì)量之間存在更加緊密的關(guān)系。通常用土壤團(tuán)聚體的 MWD 和 GMD 這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)反映團(tuán)聚體大小分布狀況，其值越大，表示土壤團(tuán)聚體的團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越好。從表7 可知，干篩處理下，4 個(gè)樣地的 MWD 值變化順序?yàn)镾1＞S3＞S4＞S2，GMD 值的變化順序?yàn)镾1＞S3＞S2＞S4。

表 7 土壤水穩(wěn)性/非水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的變化特征Tab. 7 Variation characteristics of soil water-stable/non-water-stable aggregates stability

濕篩處理下，樣地的水穩(wěn)性團(tuán)聚體 MWD 值、GMD 值都表現(xiàn)為亞表層土壤高于表層土壤，10～20 cm 亞表層土壤穩(wěn)定性優(yōu)于表層。4 個(gè)樣地干篩法測(cè)得的MWD 值均比濕篩法 MWD 值高。這是風(fēng)干性團(tuán)聚體在水的浸泡作用下，大量非水穩(wěn)性團(tuán)聚體發(fā)生分解而造成的，所以用風(fēng)干性團(tuán)聚體的MWD和GMD 來(lái)反映土壤團(tuán)聚體質(zhì)量差異不夠精確，而用水穩(wěn)性團(tuán)聚體的 MWD 和GMD 評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體實(shí)際情況更具說(shuō)服力。

土壤團(tuán)聚體粒徑分布的分形維數(shù)表征土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體對(duì)土壤結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的影響，也就是其分形維數(shù)越小，土壤結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性越強(qiáng)，抗蝕能力越好。風(fēng)干團(tuán)聚體分形維數(shù)D 值變化順序?yàn)镾4＞S2＞S3＞S1，水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)D 值變化順序?yàn)镾4＞S1＞S2＞S3。水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)在各個(gè)樣地都表現(xiàn)為表層高于亞表層，但差異不顯著（見(jiàn)表7）。

2.4 分形維數(shù)與土壤機(jī)械組成和土壤水文特征的關(guān)系

2.4.1 不同修復(fù)模式土壤孔隙特征與持水量相關(guān)性

由相關(guān)性分析可知，土壤容重與土壤貯水量呈顯著正相關(guān)，與最大持水量呈顯著的負(fù)相關(guān)；非毛管孔隙與最大持水量、毛管持水量、最小持水量、排水能力皆呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；毛管孔隙、總孔隙度與土壤貯水量、最大持水量、毛管持水量、最小持水量、排水能力、合理灌溉定額皆呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（見(jiàn)表8）。

2.4.2 土壤團(tuán)聚特征與土壤水文性質(zhì)的關(guān)系

由相關(guān)性分析可知，風(fēng)干團(tuán)聚體分形維數(shù)D 與土壤容重與水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)D 與土壤水文性質(zhì)并不存在顯著相關(guān)關(guān)系，微團(tuán)聚體分形維數(shù)與土壤容重呈顯著正相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)表9）。土壤分散系、結(jié)構(gòu)系數(shù)與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。團(tuán)聚狀況、團(tuán)聚度與土壤容重呈顯著的負(fù)相關(guān)，與非毛管孔隙、總孔隙度、最大持水量、毛管持水量、最小持水量、排水能力、合理灌溉定額皆呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。團(tuán)聚度與毛管孔隙度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。

表 8 土壤孔隙特征與持水量相關(guān)性Tab. 8 Correlation between soil pore characteristics and water holding capacity

3 結(jié)論與討論

3.1 不同修復(fù)模式土壤水文特征

土壤物理性質(zhì)的差異影響土壤中水分移動(dòng)、土壤表層徑流、土壤滲透性能、養(yǎng)分儲(chǔ)存及循環(huán)等過(guò)程[11]，從而影響生態(tài)系統(tǒng)水文過(guò)程。土壤孔隙度及容重能夠反映通氣狀況和緊實(shí)程度，非毛管孔隙是土壤水分快速運(yùn)動(dòng)通道，其下滲速率遠(yuǎn)高于毛管孔隙，非毛管孔隙度越大越有利于土壤水分下滲運(yùn)動(dòng)，土壤透氣性和透水性較好，能夠有效減少地表徑流，促進(jìn)土壤的水源涵養(yǎng)[22,23]。不同修復(fù)模式非毛管 空 隙 度 為S3＞S1＞S2＞S4，土 壤 容 重 為S1＞S2＞S4＞S3，在本研究的4 種修復(fù)模式中以補(bǔ)植披堿草、早熟禾等草本的3 號(hào)模式為最優(yōu)。人工修復(fù)補(bǔ)植可以有效的改善土壤水文特征，特別是草本的引入可以顯著的改良表層土壤水源涵養(yǎng)能力。

土壤水分是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過(guò)程的重要載體，能夠調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分和能量分配格局，對(duì)地表徑流產(chǎn)生、生態(tài)系統(tǒng)蒸散過(guò)程、水分循環(huán)及平衡具有重要意義[12,13]。土壤最大持水量可反映土壤在雨季時(shí)最大的持水能力，而毛管持水量可近似認(rèn)為土壤在枯水季節(jié)的貯水量[14,15]，土壤的貯水量越小，不利于水源涵養(yǎng)，當(dāng)降雨量達(dá)到一定程度就會(huì)產(chǎn)生地表徑流，造成水土流失。不同修復(fù)模式土壤貯水量為S1＞S2＞S3＞S4，樣地1 在上、下土層均表現(xiàn)出最高的土壤貯水量。云杉與紅樺等喬木的人工補(bǔ)植有效的改善了土壤貯水能力，且西南坡向的表現(xiàn)優(yōu)于東北坡向，即陽(yáng)坡優(yōu)于陰坡。本研究的結(jié)果與魯中山區(qū)、冀北山地、土壤不同生態(tài)修復(fù)措施下水文特征表現(xiàn)出一致性[16,1]。

表 9 （干濕篩）分形維數(shù)與土壤水文性質(zhì)的關(guān)系Tab. 9 Relationship between fractal dimension and soil hydrological properties

3.2 土壤團(tuán)聚體分布特征及穩(wěn)定性特征

土壤顆粒組成可表征土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)組成和土壤通透性等結(jié)構(gòu)組成特征。邊坡表層土壤受地震滑坡擾動(dòng)影響大，大量土壤細(xì)顆粒物質(zhì)隨滑坡而流失，植被破壞嚴(yán)重，地表處于裸露狀態(tài)，造成表層土壤細(xì)顆粒被降雨沖刷和風(fēng)蝕，不利于成土作用，所以該位置土壤顆粒組成以粒徑較大的砂粒為主[17,18]。震后受損坡面山體裸露率大，坡度較陡，水土流失現(xiàn)象將會(huì)持續(xù)發(fā)生，而目前以土石袋階梯、秸稈覆蓋和栽植云杉、紅樺以及草本等治理措施為主進(jìn)行治理，有效促進(jìn)植被恢復(fù)，增加土壤養(yǎng)分含量、增強(qiáng)土壤微生物和植被根系活性，逐漸提高土壤養(yǎng)分含量[20]。

受損邊坡受到外營(yíng)力擾動(dòng)，地表土體松散，加上實(shí)施了大量水土保持工程，人為干擾嚴(yán)重，大粒徑的土壤團(tuán)聚體被破碎分散，土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性下降，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體和風(fēng)干性團(tuán)聚體的變化特征基本一致，風(fēng)干性團(tuán)聚體的 MWD 和 GMD 值均比水穩(wěn)性團(tuán)聚體大，這與譚秋錦等[17]的研究結(jié)果一致。大量土壤黏粒、有機(jī)質(zhì)等土壤團(tuán)聚體的膠結(jié)劑損失，進(jìn)而導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低，土壤抗蝕能力下降[21]。4 個(gè)樣地的 MWD 值變化順序?yàn)镾1＞S3＞S4＞S2，GMD 值的變化順序?yàn)镾1＞S3＞S2＞S4，皆為杉與紅樺等喬木的人工補(bǔ)植模式表現(xiàn)最優(yōu)。